中國(guó)疾病預(yù)防控制中心 蔣晉生

銘基電子技術(shù)(北京)有限公司 吳建利

0 引言

負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室是飼養(yǎng)和操作感染性實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的活動(dòng)場(chǎng)所，不僅要滿足生物安全實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓梯度和定向流要求，還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的特點(diǎn)和要求避免動(dòng)物之間及人與動(dòng)物之間交叉感染，并且要符合屏障環(huán)境空氣潔凈度的要求，確保實(shí)驗(yàn)操作人員和周邊環(huán)境安全。本文以某動(dòng)物中心負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室為例，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)和工藝要求分析，運(yùn)用控制系統(tǒng)負(fù)反饋控制原理搭建實(shí)驗(yàn)室壓差控制系統(tǒng)并通過(guò)組態(tài)軟件和DDC實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制，滿足了實(shí)驗(yàn)室生物安全和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)質(zhì)量要求[1]。

1 平面布局、工藝要求分析

1.1 平面布局

負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)區(qū)平面布局應(yīng)滿足所飼養(yǎng)動(dòng)物居住和生長(zhǎng)環(huán)境、利于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，室內(nèi)壓力、氣流組織應(yīng)符合控制交叉感染和防止污染擴(kuò)散的原理，保證節(jié)能、環(huán)保、舒適性要求，應(yīng)以保護(hù)人員健康、環(huán)境安全、保證動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量及動(dòng)物福祉為目標(biāo)[2]。圖1為某動(dòng)物中心負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)平面圖，該區(qū)域飼養(yǎng)同一種類動(dòng)物，圖1顯示了其平面工藝布局和定向流流向。

圖1 負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全二級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)平面圖

該動(dòng)物實(shí)驗(yàn)區(qū)由動(dòng)物飼養(yǎng)間、綜合實(shí)驗(yàn)室、清潔走廊、污物走廊、潔物儲(chǔ)存間、消毒室、緩沖間、更衣室、淋浴間等組成，為防止人與動(dòng)物之間及動(dòng)物之間交叉感染，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)人流、物流、動(dòng)物流線分開(kāi)，各行其道，且各房間需保證壓力要求，滿足氣流由清潔區(qū)向污染區(qū)定向流動(dòng)。其中，淋浴間、更衣室、潔物儲(chǔ)存間為正壓，可防止工作人員感染并保證該實(shí)驗(yàn)區(qū)潔凈度要求。動(dòng)物飼養(yǎng)間和綜合實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)壓力最大，清潔走廊和污染走廊氣流向飼養(yǎng)間定向流動(dòng)。

1.2 工藝要求

1.2.1實(shí)驗(yàn)區(qū)差壓梯度、定向流要求

該實(shí)驗(yàn)區(qū)要滿足由清潔區(qū)向防護(hù)區(qū)形成一定壓差梯度和定向流，為該區(qū)域整體配備一套送排風(fēng)機(jī)組，同時(shí)設(shè)置送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)，為雙風(fēng)機(jī)機(jī)組，且機(jī)組設(shè)置板式熱回收裝置。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)各房間使用情況不同，送排風(fēng)機(jī)均設(shè)有變頻器，滿足復(fù)雜多工況使用時(shí)風(fēng)量隨時(shí)變化需求。

1.2.2房間壓力要求

各房間要求保持穩(wěn)定壓力，尤其是工況切換時(shí)保證有序壓差梯度和定向流，則每個(gè)房間送排風(fēng)均須設(shè)有可調(diào)風(fēng)量閥，根據(jù)具體使用要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)房間壓力[3]。

各房間送風(fēng)設(shè)有定風(fēng)量閥，排風(fēng)均設(shè)有變風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，房間送風(fēng)量保持恒定，排風(fēng)變風(fēng)量閥根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)定壓力要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，不同壓力相鄰房間形成高壓力向低壓力定向流動(dòng)。

單個(gè)動(dòng)物飼養(yǎng)室送排風(fēng)示意圖見(jiàn)圖2。

CVD定風(fēng)量閥 VVD變風(fēng)量閥 CVD-T定風(fēng)量?jī)蓱B(tài)閥 ED通風(fēng)密閉閥 VD手動(dòng)調(diào)節(jié)閥

1.2.3動(dòng)物飼養(yǎng)間“高低態(tài)”切換實(shí)現(xiàn)節(jié)能

為保證動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室滿足節(jié)能、環(huán)保及舒適性要求，根據(jù)動(dòng)物飼養(yǎng)間是否有人員操作，設(shè)置“高低態(tài)運(yùn)行模式”實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求[4]。高態(tài)運(yùn)行模式即在飼養(yǎng)間有人員進(jìn)入操作時(shí)，換氣次數(shù)為15 h-1，低態(tài)運(yùn)行模式即飼養(yǎng)間無(wú)人員操作時(shí)，換氣次數(shù)為10 h-1，以實(shí)現(xiàn)既滿足國(guó)標(biāo)要求又節(jié)能的理念。所有動(dòng)物飼養(yǎng)間進(jìn)出門(mén)口均設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)切換按鈕，通過(guò)送風(fēng)管道上的兩態(tài)定風(fēng)量閥實(shí)現(xiàn)房間高低態(tài)的切換，相應(yīng)排風(fēng)變風(fēng)量閥同步進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證房間內(nèi)壓力值穩(wěn)定。相應(yīng)地系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)根據(jù)送排風(fēng)系統(tǒng)主管壓力調(diào)節(jié)相應(yīng)變頻器頻率，以維持房間壓差穩(wěn)定。

1.2.4籠具單獨(dú)設(shè)置排風(fēng)避免氣味交叉污染

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的動(dòng)物飼養(yǎng)室設(shè)置飼養(yǎng)籠具，飼養(yǎng)籠具采用房間內(nèi)取風(fēng)、單獨(dú)排風(fēng)。該實(shí)驗(yàn)區(qū)所有籠具單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)排風(fēng)機(jī)，飼養(yǎng)動(dòng)物籠具排風(fēng)通過(guò)其排風(fēng)管上定風(fēng)量閥設(shè)定籠具排風(fēng)量，該區(qū)域所有籠具排風(fēng)量通過(guò)一臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)排風(fēng)，有效避免籠具排風(fēng)通過(guò)送排風(fēng)板式熱回收裝置導(dǎo)致氣味交叉污染。

2 控制方案

根據(jù)負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室平面布局和工藝要求，運(yùn)用負(fù)反饋控制系統(tǒng)原理和比例積分微分(PID)控制函數(shù)方程，制定了組合式PID控制方案并通過(guò)組態(tài)軟件和DDC模塊來(lái)控制交叉感染和防止污染擴(kuò)散，達(dá)到保護(hù)人員健康、環(huán)境安全、保證動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量的目的。

2.1 控制方案

該系統(tǒng)各房間壓力要求保持穩(wěn)定，尤其是工況切換過(guò)程中壓差梯度、定向流保持不變，且房間數(shù)量較多、控制復(fù)雜，通過(guò)房間送排風(fēng)系統(tǒng)、動(dòng)物籠具排風(fēng)系統(tǒng)分別設(shè)置，最大限度減少動(dòng)物之間及人與動(dòng)物之間交叉感染；同時(shí)對(duì)負(fù)壓控制房間的溫度、濕度、潔凈度、壓力等參數(shù)分析，根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)反饋控制原理，依據(jù)總送、排風(fēng)管道上壓力調(diào)節(jié)變頻器頻率，通過(guò)房間高低態(tài)運(yùn)行工況控制送風(fēng)兩態(tài)閥，根據(jù)房間壓差控制排風(fēng)變風(fēng)量閥等組合式PID調(diào)節(jié)方法進(jìn)行壓差和定向流控制。

2.2 控制對(duì)象及自控點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)需要控制的主要設(shè)備有新風(fēng)機(jī)1臺(tái)，排風(fēng)機(jī)1臺(tái)，籠具排風(fēng)機(jī)及備用排風(fēng)機(jī)各1臺(tái)，均為變頻控制。各房間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置送風(fēng)兩態(tài)閥、排風(fēng)變風(fēng)量閥、送排風(fēng)密閉閥，以及系統(tǒng)所需的所有傳感器、執(zhí)行器等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制對(duì)象、點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 控制結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)和下位機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)上位機(jī)采用TAC VISTA版組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面，能夠完成遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警記錄、趨勢(shì)分析等管理任務(wù)；作為該監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)使用某品牌DDC和智能檢測(cè)傳感器及執(zhí)行結(jié)構(gòu)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析判斷、發(fā)出指令和自動(dòng)控制的功能。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

硬件是監(jiān)控系統(tǒng)的載體和重要組成部分，硬件設(shè)備的質(zhì)量直接影響動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，是監(jiān)控系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，所以選擇適合屏障環(huán)境負(fù)壓動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控設(shè)備非常重要。

3.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)(上位機(jī))硬件配置

中央監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，并通過(guò)網(wǎng)卡連接LonWorks通訊卡和路由器以實(shí)現(xiàn)與DDC模塊及模塊之間的通訊。

3.2 下位機(jī)硬件配置

采用國(guó)際通用LonWorks通訊技術(shù)，多廠商支持、可根據(jù)用戶需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)改造。該系統(tǒng)適應(yīng)能力和擴(kuò)展性很強(qiáng)，為模塊化結(jié)構(gòu)，即插即用。系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，控制處理模塊TAC Menta具有獨(dú)立的CPU和存儲(chǔ)器，只要將控制程序輸入模塊中，即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制，現(xiàn)場(chǎng)信息即時(shí)存儲(chǔ)，可隨時(shí)查看，同時(shí)作為整個(gè)控制系統(tǒng)一個(gè)子環(huán)節(jié)，也可通過(guò)中央控制系統(tǒng)操作控制。

分布于現(xiàn)場(chǎng)的DDC模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)接收或發(fā)送指令，分為主模塊和從模塊。主模塊控制器具有全部控制功能，包括循環(huán)控制、控制曲線、時(shí)間控制、報(bào)警管理等。該控制器采用記憶存儲(chǔ)器，在電源故障后仍然保存用戶設(shè)定值，確保電源恢復(fù)后就能正常工作。通過(guò)LonWorks通訊卡和路由器與中央監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。主模塊可選用TAC301、TAC302和TAC401，從模塊可選用TAC411、TAC421、TAC451等。主模塊可通過(guò)LonWorks通訊連接從模塊。不同主模塊或從模塊所具有的數(shù)字量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出的數(shù)量和種類不同。不同種類的模塊選用主要依據(jù)不同場(chǎng)所內(nèi)需要控制設(shè)備的自控點(diǎn)種類和數(shù)量，同時(shí)兼顧數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入輸出的冗余量來(lái)選配。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件

負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)采用了工作站組態(tài)軟件，并安裝有TAC Menta編程軟件和TAC VISTA IV Server服務(wù)器軟件。TAC VISTA軟件是一個(gè)集成的人機(jī)界面系統(tǒng)(HMI)，具有圖形顯示和操作、編程、報(bào)警管理、用戶管理、時(shí)間管理、歷史記錄管理等功能。

4.1 編輯監(jiān)控畫(huà)面

TAC VISTA提供面向?qū)ο蟮牟噬珗D形界面，不僅能清楚地顯示整個(gè)系統(tǒng)的布局，還能監(jiān)控被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。考慮到該項(xiàng)目對(duì)負(fù)壓屏障環(huán)境的房間參數(shù)要求高，因此屏障區(qū)內(nèi)的各房間均顯示負(fù)壓、溫濕度、送風(fēng)定風(fēng)量閥的狀態(tài)、排風(fēng)變風(fēng)量閥的開(kāi)度及反饋值。同時(shí)監(jiān)測(cè)送排風(fēng)主管道的風(fēng)壓，用以調(diào)節(jié)送排風(fēng)機(jī)變頻器，保持送排風(fēng)總風(fēng)量穩(wěn)定。另外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行各房間終末消毒，該房間的送排風(fēng)密閉閥關(guān)閉。該圖形界面可監(jiān)測(cè)房間消毒狀態(tài)。利用圖形編輯器編輯系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面，將其中的圖形對(duì)象與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽變量建立動(dòng)態(tài)連接。

實(shí)驗(yàn)室主監(jiān)控圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室主監(jiān)控圖

4.2 編程

TAC VISTA中可以使用TAC Menta進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)程序編寫(xiě)，通過(guò)編輯與實(shí)際模塊及圖形界面中相對(duì)應(yīng)的綁定點(diǎn)，將若干存在相互關(guān)聯(lián)的綁定點(diǎn)運(yùn)用一定邏輯順序關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的有機(jī)整體，并將編寫(xiě)完整的Menta程序下載到對(duì)應(yīng)的TAC Menta主模塊中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)送排風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。

4.3 報(bào)警管理

系統(tǒng)可以設(shè)置標(biāo)簽的開(kāi)關(guān)量報(bào)警和模擬量報(bào)警，可區(qū)分一般報(bào)警和重要報(bào)警(重要報(bào)警可聲光同時(shí)警示，如市電斷電故障等)，且可設(shè)定報(bào)警的緊急程序，操作員可根據(jù)報(bào)警信息快速找到故障原因并進(jìn)行修正。報(bào)警信息可以用表格的形式顯示于監(jiān)控畫(huà)面上或由打印機(jī)輸出，或存于硬盤(pán)的報(bào)警檔案中。

4.4 用戶管理

TAC VISTA提供了用戶權(quán)限管理的功能。系統(tǒng)可根據(jù)用戶不同的權(quán)限登陸系統(tǒng)后進(jìn)行對(duì)應(yīng)用戶級(jí)別的操作，防止非法操作。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)負(fù)反饋控制原理和組合式PID控制方案并采用控制軟件和DDC對(duì)某動(dòng)物中心負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物生物安全實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視，該系統(tǒng)符合GB 14925—2010《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 環(huán)境與設(shè)施》和GB/T 27416—2014《實(shí)驗(yàn)室 生物安全通用要求》的要求，同時(shí)滿足了實(shí)驗(yàn)室生物安全和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)質(zhì)量要求，為新冠肺炎疫情后公共衛(wèi)生體系負(fù)壓屏障環(huán)境動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了參考。